Apa keuntungan dari trafo split-winding di stasiun pembangkit listrik fotovoltaik terhubung jaringan
Energi surya, sebagai sumber energi bersih dan terbarukan, adalah energi baru utama yang didukung di China. Sumber ini memiliki cadangan teoretis yang melimpah (17.000 miliar ton setara batubara per tahun) dan potensi pengembangan yang sangat besar. Pembangkit listrik fotovoltaik, yang sebelumnya beroperasi secara off-grid di daerah terpencil, kini berkembang pesat menuju integrasi bangunan dan proyek grid-terhubung skala besar di gurun.
Makalah ini menganalisis transformator split-winding pada pembangkit listrik fotovoltaik grid-terhubung melalui analisis teoritis dan kasus-kasus teknik.
1 Karakteristik Sirkuit Utama Pembangkit Listrik Fotovoltaik Grid-Terhubung
Sirkuit utama pembangkit listrik fotovoltaik erat kaitannya dengan tata letak inverter: inverter terdistribusi cocok untuk proyek integrasi bangunan, sementara inverter terpusat lebih disukai untuk pembangkit listrik fotovoltaik di gurun (untuk mencapai efisiensi pembangkitan daya optimal melalui Pelacakan Titik Daya Maksimum Terpusat - MPPT).
Namun, memiliki lebih banyak string atau inverter kapasitas besar tidak selalu menguntungkan—jarak kabel, penurunan tegangan, dan rasio harga-manfaat perlu dipertimbangkan. Oleh karena itu, panjang kabel dari string ke kotak combiner hingga inverter dan area blok fotovoltaik ditentukan oleh rasio pengembalian investasi. Untuk optimasi ekonomi, kapasitas inverter terpusat biasanya berkisar antara 500 kW hingga 630 kW.
Pembangkit listrik fotovoltaik grid-terhubung umumnya mengadopsi tiga skema sirkuit utama (seperti ditunjukkan dalam Gambar 1). Skema single-string (dengan transformator step-up) sederhana tetapi membutuhkan banyak transformator. Skema unit-besar (mengintegrasikan transformator step-up) adalah desain mainstream, menyeimbangkan biaya dan efisiensi dengan efektif.
Makalah ini membahas keuntungan menggunakan transformator split-winding untuk kabel unit-diperluas. Dibandingkan dengan transformator double-winding biasa, setiap fase transformator double-split winding terdiri dari satu gulungan tegangan tinggi dan dua gulungan tegangan rendah. Gulungan tegangan rendah memiliki tegangan dan kapasitas yang sama tetapi hanya memiliki keterkaitan magnetik lemah antara keduanya, seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.
Transformator ini biasanya memiliki tiga mode operasi: operasi through, operasi half-through, dan operasi split. Ketika beberapa cabang dari gulungan split diparalelkan menjadi total gulungan tegangan rendah untuk beroperasi melawan gulungan tegangan tinggi, disebut operasi through, dan impedansi pendek sirkuit transformator disebut impedansi through X1 - 2. Ketika satu cabang dari gulungan split tegangan rendah beroperasi melawan gulungan tegangan tinggi, disebut operasi half-through, dan impedansi pendek sirkuit disebut impedansi half-through X1 - 2'. Ketika satu cabang dari gulungan split beroperasi melawan cabang lain, disebut operasi split, dan impedansi pendek sirkuit disebut impedansi split X2 - 2'.
2 Keuntungan Transformator Split-Winding
Untuk diskusi yang lebih mudah, parameter teknis produk matang dikutip untuk perbandingan kuantitatif dengan transformator double-winding biasa. Ambil contoh transformator split-winding 2500 kVA: 37 ± 2×2.5% / 0.36 kV / 0.36 kV, 50 Hz, persentase reaktansi pendek sirkuit 6.5%, persentase reaktansi full-through 6.5%, persentase reaktansi half-through 11.7%, koefisien split < 3.6%. Perhitungan memberikan:
Reaktansi full-through: X1 - 2 = X1 + X2 // X2
Reaktansi half-through: X1 - 2' = X1 + X2
Nilai per-unit:
Reaktansi cabang sisi tegangan tinggi:
Reaktansi cabang sisi tegangan rendah:
2.1 Mengurangi Arus Pendek Sirkuit
Selama pendek sirkuit di d1 dalam Gambar 2, arus pendek sirkuit memiliki tiga komponen: dari sistem (sisi tegangan tinggi, dengan komponen periodik non-menyusut), cabang non-fault I''p1, dan cabang fault I''p2. Untuk pemutus sirkuit tegangan rendah pada cabang fault, kapasitas pemutusan mempertimbangkan jumlah arus sistem dan cabang non-fault.Dengan transformator split-winding:
Arus pendek sirkuit yang disuplai sistem:
Arus pendek sirkuit daya terdistribusi inverter 2–4 kali arus nominal (durasi 1.2–5 ms, 0.06–0.25 siklus), dan arus cabang non-fault sekitar 4 kA.Untuk transformator double-winding biasa (untuk dapat dibandingkan, asumsikan uk% = 6.5, sama dengan persentase reaktansi full-through transformator split-winding uk1 - 2%:
Reaktansi per-unit adalah：
Arus pendek sirkuit yang disuplai sistem adalah：
dengan kontribusi tambahan dari cabang non-fault.Jelas, penggunaan transformator split-winding untuk kabel unit-diperluas secara signifikan mengurangi persyaratan kapasitas pemutusan untuk pemutus sirkuit cabang sisi tegangan rendah.
Asumsikan bahwa parameter modul paralel sepenuhnya sama dan parameter kontrol MPPT inverter juga sama. Maka, C1 = C2 = C, L1 = L2 = L, dan arus induktor setiap inverter adalah:
Dapat dilihat bahwa arus induktor setiap inverter terdiri dari dua bagian: Yang pertama adalah arus beban, yang sama untuk kedua inverter; yang kedua adalah arus sirkulasi, terkait dengan amplitudo, fase, dan perbedaan frekuensi tegangan keluaran inverter.
Saat ini, logika kontrol utama untuk inverter di stasiun pembangkit listrik PV adalah Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT). Modul sel surya memiliki resistansi internal dan eksternal. Ketika kontrol MPPT membuat resistansi ini sama pada suatu saat, modul PV beroperasi pada titik daya maksimum. Mengambil Gambar 3 sebagai contoh, daya aktif P1 dan daya reaktif Q1 yang dikeluarkan oleh Inverter 1 adalah:
2.3 Menjaga Tegangan Cabang Non-Fault
Mengambil Gambar 2 dan 3 sebagai contoh, stasiun pembangkit listrik fotovoltaik biasanya mengadopsi tata letak inverter-terpusat-transformator, dan impedansi kabel antara inverter dan transformator dapat diabaikan. Dengan transformator double-winding biasa, tegangan cabang non-fault turun ke potensial nol. Dalam hal ini, perlindungan relai biasanya digunakan untuk menunda operasi pemutus sirkuit cabang non-fault untuk mengurangi jangkauan penghapusan gangguan. Namun, metode ini mungkin tidak memenuhi persyaratan perlindungan untuk stasiun pembangkit listrik fotovoltaik. Jika waktu penghapusan cabang fault melebihi kemampuan ride-through tegangan rendah inverter, cabang non-fault akan dipaksa terputus dari grid, meningkatkan risiko penyebaran gangguan.
Dengan transformator split-winding, karena adanya impedansi split, arus pendek sirkuit yang disuplai sistem setara dengan operasi dalam mode half-through transformator split-winding. Arus pendek sirkuit yang disuplai inverter cabang non-fault setara dengan mode operasi split transformator split-winding. Pada saat pendek sirkuit, tegangan keluaran U''2 inverter cabang non-fault adalah I''s × X'2+ I''p2× (X''2 + X'''2). Karena sisi tegangan tinggi adalah sistem tak terbatas, berdasarkan diskusi sebelumnya, I''s jauh lebih besar dari I''p2. Oleh karena itu, bagian pertama I''s × X'2 tidak menyusut dan lebih besar dari bagian kedua I''p2 × (X''2 + X'''2).
Perhitungan menunjukkan bahwa . Tegangan keluaran inverter cabang non-fault dapat dipertahankan setidaknya sekitar 0.5Un. Berdasarkan persyaratan ride-through tegangan rendah stasiun pembangkit listrik
fotovoltaik, waktu penghapusan lebih dari 1 s (50 siklus). Dengan demikian, kabel unit-diperluas dengan transformator split-winding dapat secara andal memenuhi persyaratan bahwa cabang non-fault tidak terputus dari grid dalam waktu penghapusan pemutus sirkuit cabang fault.
3 Kesimpulan
Transformator split-winding luas digunakan dalam teknik, terutama cocok untuk stasiun pembangkit listrik fotovoltaik grid-terhubung. Seperti yang dibahas di atas, keuntungan utamanya terletak pada mengurangi arus pendek sirkuit, membatasi arus sirkulasi operasional, dan menjaga tegangan cabang non-fault. Berdasarkan contoh desain teknik, makalah ini menganalisis secara teoritis keuntungan aplikasinya di stasiun pembangkit listrik fotovoltaik, memberikan makna panduan tertentu untuk pemilihan bentuk kabel dan peralatan dalam proyek stasiun pembangkit listrik fotovoltaik grid-terhubung.
